智能安防機器人控制系統設計分析

李家成,陸桂龍,陳 芹,郝家輝,陶華磊,胡兆鵬

(南通理工學院,江蘇 南通 226000)

0 引言

信息化時代到來,一體化機器人隨之誕生,在電子信息技術體系加持下,智能機器人的應用更加充分,其優勢越來越明顯。智能安防機器人在特殊領域的應用可以代替人工進行所有危險性、高頻性的工作,包括各項危險性檢測、環境全面監控、危險警報提示以及數據的高效采集等。

1 智能安防機器人的核心構成

智能安防機器人備受好評主要是源于功能強大,其自身控制系統的穩定性也十分優越。在實際中,可以應用模塊化設計思路,對控制系統進行精準設計,搭建總體設計框架,制定可行的初步規劃;針對主要控制系統完成合理化設計,不斷提高智能安防機器人的應用水平。

智能安防機器人的核心構成較為復雜,具體包含運動控制子系統、電機驅動器、傳感器子系統、具有輔助功能的攝像頭控制子系統等。在對子系統進行優化設計的基礎上,還要利用機器人平臺進行控制系統測試,保證實驗測試的有效性;要對測試結果進行全面分析,制定可行性較高的、優質的總結報告。

2 控制系統總體設計

控制系統總體設計中包含的模塊較多,除了主控器(核心構件)外,還包括運動控制子系統、攝像頭、上位機App等。在設計環節,控制系統總體設計是關鍵。本文設計的智能安防機器人以STM32F429電機控制器和云服務器為核心,其中,STM32F429電機控制器主要由電機驅動器、直流伺服電機、激光導航傳感器構成,云服務器主要包括電腦上位機和手機App終端,系統本身包含噪聲傳感器、煙霧傳感器、超聲波傳感器、磁導航傳感器、地標傳感器、溫濕度傳感器以及觸摸屏。系統總體設計,如圖1所示。

圖1 控制系統總體設計

2.1 主控器設計

主控器是智能安防機器人的主要信息處理設備,屬于整個系統的核心構建,可以將其看作具有支配功能的“大腦”,是系統的中樞神經,實時與各項子系統(機器人中的)保持聯系,共同完成合作。在主控制器的加持下,將信息進行匯總,并精準處理命令信息;根據具體指令將信息下放到相應的子系統中,確保命令合理完成。

主控器在安防機器人系統中地位特殊,可以實現各子系統的協調運轉,使通心和控制功能得以順利實現,優化智能安防機器人性能。同時,主控器捕捉機器人的運動狀態,并進行合理調整,根據具體需求改變機器人的運行軌跡、糾正不良習慣。機器人在完成巡檢任務的過程中,為了確保巡檢的可靠性,必須搭配多線程分級管理,充分利用搭載無線通信模塊和操作系統實現遠程通信功能。因此,在智能安防機器人的研發階段,關鍵環節是主控器的合理設計及對控制系統的優化,在控制模塊基礎上追加驅動模塊,完善機器人的通信功能。

2.2 運動控制器的設計

運動控制器子系統的地位同樣重要,主要功能是根據命令內容判斷主控器的速度和真實的運行方向,實現多個姿態的調整(如前進、后退、轉向等),確保運動方式的實現。根據設計總方案對運動控制器實施優化。同時,運動控制器具有特殊性,所以必須要考慮囊括多種設計因素,不斷提升子系統模塊的功能。

2.3 電機驅動器設計

電機驅動器的位置特殊,位于電機控制器核心地帶,與永磁同步電機距離較短,作為中間電路,其性能完善、功能強大,可以將控制信號(電機控制器發出的)進行放大,實現智能安防機器人的換向、剎車等功能,是智能安防機器人成功發揮作用的關鍵。此外,還具有控制邏輯功能,可以精準保護電路。

智能安防機器人之所以運行效率高,就是因為多個電機的相互配合,包括光電編碼器、永磁同步電機、永磁同步電機驅動器、編碼器,如圖2所示。電機驅動器模塊以STM32F429電機控制器為核心,PWM驅動模塊通過改變脈沖幅度來控制系統電路電壓的輸出,并通過開關設計來調節電流的傳輸效率,完成PWM信號輸出可以保證和主控制器通信,提高通信的實效性;永磁同步電機驅動器將轉子動能轉化為電能,實現電壓調節、無功率調節和無功負荷分配,是一種高精度的伺服控制系統;永磁同步電機省去了集電環和電刷,無需勵磁電流,沒有勵磁損耗,提高了電動機的效率和功率密度[1];光電編碼器和解碼器傳送、接收命令信息[2-3],實現系統的高效運轉。

圖2 電機控制

2.4 傳感器子系統的設計

智能安防機器人的重要性逐漸被認可,其實際應用可以彌補人工管理作業中存在的不足,人承擔安防、巡檢等相關任務,降低人工成本。合格的安防機器人需要保持一定的敏銳性,實時感知外界環境,因此,其多個傳感器之間要保持關聯性、匹配度高度一致。對多傳感器融合技術靈活區分和應用,將多種傳感器整合,發揮取長補短效果,共同提升系統的精確度。在設計該子系統時,需要多考慮智能安防機器人的應用需求,充分發揮數據采集功能,有效捕捉導航、環境信息。同時,發揮數據處理功能,在信息收集完成后按照要求

整合加以,使智能安防機器人能對接收的命令作出清晰、明確的判斷。

2.5 攝像頭子系統設計

攝像頭傳輸子系統的實際作用是完整地監控現場環境,確保監控數據的合理性、精準性,是機器人獲取執行任務的關鍵。攝像頭傳輸子系統由可見光攝像機和紅外熱成像攝像機構成,可以科學地探測環境溫度,如果溫度偏高就會自動觸發報警功能,兩個攝像機系統相互輔助。

(1)可見光攝像機,發揮基礎性作用,清晰成像功能實現對環境的實時監控,屬于不可或缺的攝像頭子系統核心要素;同時,其還包括錄像、回放功能,是對攝像頭子系統功能發揮的一種保障。(2)紅外熱成像攝像機同樣功能顯著,用來檢測現場的設備,通過設備溫度的檢測,綜合評估設備性能。當設備溫度過高,說明系統存在危險性,此時該攝像頭會發揮報警功能。實踐證明,該攝像機功能強大,監測范圍廣泛,各處溫度異常點均能精準捕捉,效果十分顯著。

在實際應用中,為了強化攝像頭子系統的整體應用效果,可以在以上兩種攝像機的基礎上增加云臺控制功能,以完成精準度較高的攝像機控制,達到360°地進行目標監控的目的;同時,通過4G/5G網絡將攝像機監控影像遠程傳輸到App終端,為現場人員的場景監控與分析提供方便。

3 結語

綜上所述,智能安防機器人在新時期備受關注,其控制系統的設計逐漸受到重視,想要出色完成系統設計,需要綜合各方面的因素,考慮周全,同時掌握各個子系統的基礎功能和設計要求。實踐表明,只有子系統功能完善,整個控制系統的性能才會提升。現實中,通過優化各子系統性能,可以實現控制系統設計效果最大化的目標。